劉 兵

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

1 前言

目前斷層突水是影響煤礦安全的主要原因之一，會(huì)引發(fā)巷道灌水、工作面冒頂?shù)仁鹿?，給生產(chǎn)安全節(jié)能帶來了一定程度的困擾[1]。為此，斷層防水煤柱成為防治突水的最普遍措施。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，粗放性的防水煤柱廣泛地存在于工作面開采中，需要針對煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行深入研究。為了精準(zhǔn)確定煤柱合理的留設(shè)寬度，相關(guān)專家從礦山壓力的角度對煤柱受力進(jìn)行了分析，明確了煤柱的裂縫帶寬、彈性核寬和屈服帶寬，給出了高峰應(yīng)力線，并借助相關(guān)的軟件如FLAC3D、Matlab等進(jìn)行了模擬和計(jì)算，推導(dǎo)出對應(yīng)斷層條件下的防水煤柱合理寬度。但不同煤礦遇到的情況因?yàn)榈V山巖體結(jié)構(gòu)、含水層位置和大小、斷層落差的不同而產(chǎn)生差異[2]。在對某煤礦斷層分析中，充分考慮礦山壓力、承壓水作用的影響，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對性修正，并通過軟件數(shù)值模擬得出防水煤柱合理的留設(shè)寬度，進(jìn)而有效地避免煤礦資源的浪費(fèi)。

2 煤礦斷層概況

工作面煤層平均埋深520m，采用走向長壁后退式采煤法進(jìn)行開采，煤層平均厚度為4.0m。斷層區(qū)段的一側(cè)已經(jīng)回采完成，留下了采空區(qū)，整體走向長度為1 230m，斷層區(qū)段的落差為30～40m。煤頂層和底板層都含有砂巖含水層。在沒有采動(dòng)前，山體內(nèi)部穩(wěn)定，水體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。對于斷層而言，斷層內(nèi)部以及周圍巖體內(nèi)的含水層都會(huì)因?yàn)槭芰Y(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生流動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)突水。當(dāng)開采到斷層附近時(shí)，原來山體結(jié)構(gòu)的受力平衡被打破，水體從抗壓最小的位置突出。為此，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，在工作面為此斷層設(shè)計(jì)了寬度為45m的防水煤柱。雖然煤柱設(shè)計(jì)寬度完全能夠避免突水事故，但會(huì)在斷層區(qū)段造成煤炭資源的浪費(fèi)。

3 斷層煤柱的應(yīng)力分析及計(jì)算

斷層煤柱的突水事故可分為沿煤壁導(dǎo)水型和沿底板突水型[3]。從礦山壓力的角度看，煤壁的支撐力由前到后依次為破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。由于只有在彈性區(qū)才能夠發(fā)揮導(dǎo)水功能，為此，需要將防水煤柱的留設(shè)寬度超過破碎區(qū)和塑性區(qū)寬度之和，超過承壓水力劈裂臨界值，阻擋承壓水通過煤壁涌出。因此，從防治煤壁導(dǎo)水單一因素考慮，留設(shè)寬度為圖1中L2和L1之和；從煤柱底板單一因素看，留設(shè)寬度應(yīng)大于L的長度，這樣才能夠有效地控制塑性區(qū)、破碎區(qū)、工作面和采空區(qū)4部分的底板突水。

圖1 防水煤柱應(yīng)力分析示意圖

從礦山壓力計(jì)算理論入手，對兩種因素下的煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算如下：

L′=L1+L2

(1)

式中：L′——煤壁導(dǎo)水單一因素下的留設(shè)寬度；

L1——根據(jù)力學(xué)計(jì)算出的煤壁破碎區(qū)；

L2——計(jì)算出的煤壁塑性區(qū)。

L″=(L2+L/cosθ)/sinθ-Ltanθ

(2)

式中：L″——煤柱底部突水單一因素下的留設(shè)寬度；

θ——斷層傾角。

該煤礦斷層防水煤柱的研究在礦山壓力的基礎(chǔ)上，增加了承壓水力劈裂的分析。根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力規(guī)律，斷層兩側(cè)的導(dǎo)水性會(huì)隨著與斷層面距離的擴(kuò)大而減小。承壓水只能夠從斷層的導(dǎo)水破壞、滲透范圍內(nèi)壓出。由此，斷層巖體周圍會(huì)受承壓水的作用而產(chǎn)生裂縫，需要防水煤柱有足夠的壓力強(qiáng)度進(jìn)行抵消。從彈性力學(xué)角度看，斷層裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度與裂縫長度正相關(guān)、與裂縫厚度負(fù)相關(guān)[4]。針對這一因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)裂縫角度達(dá)到巖體內(nèi)摩擦角一半時(shí)，斷層所受的水力劈裂作用最大。

4 斷層防水煤柱的留設(shè)寬度設(shè)計(jì)

4.1 斷層導(dǎo)水性的探測及分析

在礦山壓力、承壓水劈裂以及構(gòu)造力分析的基礎(chǔ)上，對斷層區(qū)段的導(dǎo)水性進(jìn)行探測，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)，得出礦山斷層的具體特征。首先，沿著煤層掘進(jìn)方向?qū)鄬舆M(jìn)行鉆探，得知斷層區(qū)段被含泥巖充填，且?guī)r體為泥質(zhì)砂巖，含有少量的水分，而后將鉆孔深入到此斷層的15m后，鉆孔探測到更多的水分，這說明斷層內(nèi)部含水，最后，沿著斷層的方向進(jìn)行巷探，確定斷層的具體形態(tài)、構(gòu)造和導(dǎo)水性能。根據(jù)初步鉆探、物探，結(jié)果顯示斷層的附近存在一定量的水體，且周圍為具有導(dǎo)水通道特性的泥質(zhì)砂巖，既松散又具流變性，并且很可能存在一定量的補(bǔ)給水源。

根據(jù)承壓水的彈性力學(xué)理論，對水力劈裂作用下的裂隙擴(kuò)展進(jìn)行了分析。按照彈性力學(xué)的受力分布規(guī)律，對斷層裂縫方向的壓剪系數(shù)和斷裂韌性從應(yīng)力強(qiáng)度和滲透壓力變化層面進(jìn)行了計(jì)算，得出受斷層裂縫應(yīng)力作用而突水的防水煤柱寬度為42m，這一數(shù)值已經(jīng)超出了防水煤柱留設(shè)寬度的考慮范圍。因此，此斷層防水煤柱不會(huì)因承壓水劈裂作用而突水。

4.2 斷層煤柱留設(shè)寬度計(jì)算及可靠性分析

根據(jù)礦山壓力理論，對煤壁的破碎區(qū)、屈服區(qū)長度進(jìn)行計(jì)算，為斷層防水煤柱的留設(shè)寬度設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)室和施工現(xiàn)場所測的參數(shù)帶入計(jì)算公式，求得防水煤柱的寬度為32m。

理論公式計(jì)算缺乏對礦山巖體實(shí)際情況的考慮，計(jì)算結(jié)果無法定性定量地解決好現(xiàn)實(shí)性問題。因此，還需要借助計(jì)算機(jī)軟件對斷層不確定性因素進(jìn)行模擬。計(jì)算程序?qū)⒏饕蛩刂g的關(guān)聯(lián)性按照關(guān)聯(lián)強(qiáng)弱程度排列，選出對結(jié)果有影響的8個(gè)因素，即：斷層寬度、斷層含水性、斷層防水煤柱寬度、平均落差、斷層傾角、導(dǎo)水性能、承壓水壓力、裂縫寬度[5]。針對這8個(gè)指標(biāo)采用LMBP算法進(jìn)行模擬計(jì)算。這種算法以速度快、模型變量少、突出影響主成分的特點(diǎn)，對不確定性因素的判斷和處理十分有效。經(jīng)過檢測樣本的訓(xùn)練，采用歸一化處理后，建立了較為可靠的防水煤柱非線性映射關(guān)系。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖2。通過分析可知，防水煤柱的寬度低于12m時(shí)，煤柱處于完全破碎的臨界狀態(tài)；防水煤層的寬度達(dá)到20m時(shí)，煤柱內(nèi)部具備足夠的彈性區(qū)；當(dāng)防水煤柱的寬度增大到25m時(shí)，防水煤柱已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定，具備良好的抗壓、防水能力，能夠防止突水事故。

圖2 防水煤柱與歸一安全系數(shù)關(guān)系圖

4.3 斷層煤柱留設(shè)寬度的數(shù)值模擬分析

為了使斷層煤柱留設(shè)寬度的評價(jià)更加準(zhǔn)確，在LMBP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，從巷道變形、斷層巖體破壞度、最大主應(yīng)力變化的角度做出評估。根據(jù)以上結(jié)果，選定15、20、25m和30m 4個(gè)留設(shè)寬度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果見表1。

根據(jù)表1結(jié)果可知，當(dāng)防水煤柱的寬度為20m時(shí)，巷道周圍的巖體破壞的程度比較明顯，還存在一定的安全隱患；巖體的最大主應(yīng)力過大，難以確保在長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定不變。當(dāng)防水煤柱的寬度為25m時(shí)，巷道基本不會(huì)被破壞，斷層巖體也相對穩(wěn)定，斷層面連通的區(qū)域已經(jīng)非常小，能夠?yàn)殚L期的開采施工提供安全環(huán)境。

表1 斷層防水煤柱數(shù)值模擬分析結(jié)果

5 防水煤柱的效果

以前煤礦根據(jù)長期的開采經(jīng)驗(yàn)，將煤柱留設(shè)寬度設(shè)定為45m。通過足夠的煤柱寬度來防治突水事故，而沒有考慮煤礦資源的浪費(fèi)程度。在經(jīng)過力學(xué)理論計(jì)算、LMBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬和數(shù)值分析后，將防水煤柱的寬度設(shè)定為25m。在工作面布置了監(jiān)測設(shè)備，以距離工作面的距離為變量，對巷道底板、煤柱側(cè)、工作面?zhèn)取㈨敯暹M(jìn)行了持續(xù)性觀測，得到圖3所示結(jié)果。

圖3 監(jiān)測的位移情況

由圖3可知，在距離工作面50m的范圍內(nèi)，底板、工作面?zhèn)取⒚褐鶄?cè)和頂板都發(fā)生了位移和變形，且距離工作面越近，位移變化量越大。從底板看，變化值為16mm,屬于變形的可控范圍；兩幫位移為42mm，兩幫位移大致相同，整體表現(xiàn)出較好的協(xié)調(diào)性；頂板位移為90mm，可通過支護(hù)進(jìn)行控制?？傮w而言，斷層防水煤柱能夠發(fā)揮防水作用，可避免出現(xiàn)煤壁導(dǎo)水和底板突水事故。

到目前為止，斷層防水煤柱所在的綜放工作面已經(jīng)開采完畢。在整個(gè)開采過程中，斷層煤柱發(fā)揮了重要作用，表現(xiàn)出穩(wěn)定性質(zhì)，沒有出現(xiàn)突水事故。因此，斷層煤柱的留設(shè)寬度是合理的，能夠避免中小型突水事故。

6 結(jié)論

以具體煤礦斷層為研究對象，從礦山壓力、承受水劈裂作用角度對應(yīng)力進(jìn)行分析。由于此斷層及斷層附近巖體內(nèi)不含大量水體，沒有補(bǔ)給水源，故在LMBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)值模擬分析中參數(shù)較少，計(jì)算比較簡單。根據(jù)研究可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)煤礦斷層突水受力工作需要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行，對于水體較少的復(fù)雜地質(zhì)情況，需更多的考慮礦壓情況，避免煤柱寬度過小，出現(xiàn)巷道變形情況。

(2)LMBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與數(shù)值模擬分析能夠比較全面地反應(yīng)工作面推進(jìn)中的應(yīng)力及破壞規(guī)律。本次實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測確定的煤柱留設(shè)寬度有效，能夠避免突水和變形。

(3)斷層防水煤柱的留設(shè)寬度可以進(jìn)行控制。本次將留設(shè)寬度從起初的45m縮小到25m,回收了20m的煤炭資源，沒有影響工作面的開采推進(jìn)，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，值得在防水煤柱留設(shè)寬度方面進(jìn)行推廣。

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